Операционные системы

Операционные системы
Операционная система, ОС (англ. operating system) — базовый комплекс компьютерных
программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с
файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит.
Файл (англ. file) — логический блок информации, хранимой на носителях информации.
Файл обязательно имеет имя и может содержать произвольный объѐм информации
(максимальная длина и того, и другого определяется возможностями файловой системы). Файл
также имеет набор атрибутов, в которых содержится различная информация о самом файле.
Некоторые атрибуты используются практически во всех файловых системах (например, «Время
создания»), некоторые используются лишь в некоторых (например, «Скрытый», «Исполнимый».
Утилита (англ. utility или tool) — программный продукт, предназначенный не для решения
какой-либо прикладной задачи, а для решения вспомогательных задач.
Так компьютерные утилиты можно разделить на две основные группы:
Утилиты
сервисного
обслуживания
компьютера,
утилиты
расширения
функциональности и информационные утилиты.
1. Утилиты сервисного обслуживания (УСО).
К УСО относятся все виды сервисных программ, такие как утилиты по: дефрагментации,
проверке и исправлению структуры разделов жѐсткого диска, исправлению системных
зависимостей, тонкой настройке системы и т. д..
Поскольку типовой набор необходимых УСО. примерно одинаков для всех пользователей
ПК, то большое распространение получили заранее собранные пакеты утилит, наиболее ярким
примером которых может послужить пакет Norton Utilities (входящий в Norton System Works) от
компании Symantec.
2. Утилиты расширения функциональности.
Расширяют функциональность существующих прикладных или системных средств,
например, утилиты автоматизации и переконвертации медиа-тегов (mp3 id3, Ogg tags),
безопасного (невосстановимого) удаления файлов, утилиты переконвертирования файлов
различных форматов, утилиты системного менеджмента.
3. Информационные утилиты.
При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных
программ и затем служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных
функций ОС может осуществлять и другие, напр., предоставление пользовательского
интерфейса, сетевое взаимодействие и т.п.
Слово
(англ. interface) — место или способ соединения/соприкосновения/связи.
Этот термин используется в разных областях науки и техники.
Интерфейсы в вычислительной технике
Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем.
Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не
изменяется (стабилен, стандартизирован), это даѐт возможность модифицировать сам объект, не
перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами.
Например, научившись работать с одной программой под Windows, пользователь с легкостью
освоит и другие - потому, что они имеют одинаковый интерфейс.
В вычислительной системе взаимодействие может осуществляться на пользовательском,
программном и аппаратном уровнях. В соответствии с этой классификацией можно выделить:
Интерфейс пользователя — это совокупность средств, при помощи которых пользователь
общается с различными устройствами
Интерфейс командной строки: инструкции компьютеру даются путѐм ввода с
клавиатуры текстовых строк (команд).
Графический интерфейс пользователя: программные функции представляются
графическими элементами экрана.
Диалоговый интерфейс
Естественно-языковой интерфейс: пользователь «разговаривает» с программой на
родном ему языке.
Физический интерфейс — способ взаимодействия физических устройств. Чаще всего
речь идѐт о компьютерных портах.
Сетевой интерфейс
Шлюз (телекоммуникации)
Шина (компьютер)
Интерфейсы в программировании:
Интерфейс функции
Интерфейс программирования приложений (API): набор стандартных библиотечных
методов, который программист может использовать для доступа к функциональности
другой программы.
Вызов удалѐнных процедур
COM-интерфейс
С 1990-х наиболее распространѐнными операционными системами являются ОС семейства
Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux).
Понятие операционной системы
Существуют две группы определений ОС:
«Совокупность программ, управляющих оборудованием» и «совокупность программ,
управляющих другими программами».
Обе они имеют свой точный технический смысл, который, однако, становится ясен только
при более детальном рассмотрении вопроса о том, зачем вообще нужны операционные системы.
Есть приложения вычислительной техники, для которых ОС излишни. Например, встроенные
микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по
десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет
лишь одну программу, запускающуюся по включении. И простые игровые приставки — также
представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без ОС,
запуская по включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или
компакт-диске. (Многие встроенные компьютеры и даже некоторые игровые приставки на
самом деле работают под управлением своих ОС).
Операционные системы, в свою очередь, нужны, если:
вычислительная система используется для различных задач, причѐм программы,
исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого
следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в
подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неѐ реализацией файловой
системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно
«связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные
дисковые операции;
различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных
действий. Напр., простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране
может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция —
тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, ОС предоставляют
системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);
между программами и пользователями системы необходимо распределять
полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от чужого взора, а
возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;
необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких
программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор),
осуществляемой с помощью приѐма, известного как «разделение времени». При этом
специальный компонент, называемый планировщиком, «нарезает» процессорное
время на короткие отрезки и предоставляет их поочередно различным
исполняющимся программам (процессам);
наконец, оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять
процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды,
одна из которых — оболочка и набор стандартных утилит — является частью ОС
(прочие, такие, как графическая операционная среда, образуют независимые от ОС
прикладные платформы). Таким образом, современные универсальные ОС можно
охарактеризовать прежде всего как
использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа
к данным),
многопользовательские (с разделением полномочий),
многозадачные (с разделением времени).
Многозадачность и распределение полномочий требуют определѐнной иерархии
привилегий компонентов самой ОС. В составе ОС различают три группы компонентов:
1. ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие
оборудованием; сетевую подсистему, файловую систему;
2. системные библиотеки
3. оболочку с утилитами
В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности
(замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию)
свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включается и набор инструментальных средств
(от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Операциональной
замкнутостью обладают системы, удовлетворяющие «разработческому» профилю в терминах
стандарта.
Эволюция операционных систем и основные идеи
Предшественником ОС следует считать служебные программы (такие, как загрузчики), а
также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением
универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы
минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли
избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций
ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).
В 1950-60-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие
функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение
полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и системы
1. Пакетный режим
Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов
привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим
предполагает наличие очереди программ на исполнение, причѐм ОС может обеспечивать
загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь
завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.
2. Разделение времени и многозадачность
Уже пакетный режим в своѐм развитом варианте требует разделения процессорного времени
между выполнением нескольких программ.
Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании)
проявилась ещѐ сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а
позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость
клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость
обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с
одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.
Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один
(как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с
многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких, как ввод или редактирование
данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие, как
массивные вычисления) — в пакетном режиме.
3. Разделение полномочий
Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения
полномочий, позволяющей избежать возможности модификации исполняемой программы или
данных одной программы в памяти компьютера другой (содержащей ошибку или злонамеренно
подготовленной) программы, а также модификации самой ОС прикладной программой.
Реализация разделения полномочий в ОС была поддержана разработчиками процессоров,
предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором
исполняемой программе доступно всѐ адресное пространство компьютера) и «защищѐнным» (в
котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске
программы на исполнение).
4. Реальный масштаб времени
Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами
потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») —
синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами.
Включение функции реального масштаба времени в ОС позволило создавать системы,
одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в
пакетном режиме и (или) в режиме разделения времени).
5. Файловые системы и структуры
Постепенная замена перфорационных носителей (лент и карт) накопителями произвольного
доступа (на магнитных дисках) поставило задачу организации данных на таких носителях, с тем,
чтобы данные, введѐнные оператором или сформированные одной программой могли
использоваться другой.
Эта задача была решена (и решается в подавляющем большинстве ОС сегодня) путѐм
реализации файловой структуры (способа однозначной адресации определенной совокупности
данных (файла) в ОС) и файловой системы (физической организации дискового пространства,
соответствующей файловой структуре или еѐ части).
«Юникс», стандартизация ОС и открытые ОС
К концу 1960-х гг. был создан целый ряд ОС, реализующих все или часть очерченных выше
функций. К ним относятся «Atlas» (Манчестерский университет), «CTTS» и «ITSS»
(Массачусетский технологический институт (МТИ)), «THE» (Эйндховенский технологический
университет), «RS4000» (Университет Орхуса) и др. (всего эксплуатировалось более сотни
различных ОС).
Наиболее развитые ОС, такие как «OS/360» (компания «IBM»), «SCOPE» (компания «CDC»)
и завершѐнный уже в 1970-х годах «MULTICS» (МТИ и компания «Bell Labs»),
предусматривали возможность исполнения на многопроцессорных компьютерах.
Задуманная и реализованная в 1969 году Кеном Томсоном при участии нескольких коллег
(включая Денниса Ричи, и Брайана Кернигана), ОС «Юникс» («Unix»; первоначально «UNICS»,
что обыгрывало название «MULTICS») вобрала в себя многие черты более ранних ОС, но
обладала целым рядом свойств, отличающих еѐ от большинства предшественниц:
простая метафорика (два ключевых понятия: вычислительный процесс и файл);
компонентная архитектура: принцип «одна программа — одна функция» плюс мощные
средства связывания различных программ для решения возникающих задач («оболочка»);
минимизация ядра (кода, выполняющегося в «реальном» («привилегированном»)
режиме процессора) и количества системных вызовов;
независимость от аппаратной архитектуры и реализация на машиннонезависимом языке
программирования (язык программирования «Си» стал «побочным продуктом» разработки
«Юникс»);
унификация файлов.
«Юникс», благодаря своему удобству прежде всего в качестве инструментальной среды
(среды разработки), была тепло принята сначала в университетах, а затем и в отрасли,
получившей прототип единой ОС, которая могла использоваться на самых разных
вычислительных системах и, более того, могла быть быстро и с минимальными усилиями
перенесена на любую вновь разработанную аппаратную архитектуру.
В конце 70-х годов XX века сотрудники Калифорнийского университета в Беркли внесли ряд
усовершенствований в исходные коды UNIX, включая работу с протоколами TCP/IP. Их
разработка стала известна под именем BSD — «Berkeley Systems Distribution».
К открытым ОС относятся системы, базирующиеся на последней версии «Юникс»,
выпущенной «Bell Labs» («System V»), на разработках Университета Беркли («FreeBSD»,
«OpenBSD», «NetBSD»), а также ОС «GNU/Linux», разработанная в части утилит и библиотек
проектом «GNU» и в части ядра — сообществом, возглавляемым Линусом Торвальдсом.
Стандартизация ОС гарантирует возможность безболезненной замены самой ОС и/или
оборудования при развитии вычислительной системы или сети.
Самым заметным эффектом существования этого стандарта стало эффективное
разворачивание Интернета в 90-х годах.
Альтернативные операционные системы
С разработкой и введением стандарта разработка альтернативных ОС не прекратилась.
Отчасти это обусловлено объективными причинами (ограниченностью ресурсов и
специализированным применением вновь создаваемых классов вычислительных устройств,
таких как персональные компьютеры (ПК) в 1980-х годах, портативные компьютеры в 1990-х
или карманные компьютеры и мобильные телефоны в 2000-х). Так, в 1970-е годы продолжалась
разработка альтернативных ОС для миникомпьютеров (таких, как «RT-11» (известной в СССР
как «РАФОС» и «ФОБОС») и «RSX-11» (известной в СССР как «ОС РВ»)).
В 1980-е был создан целый ряд ОС специально для ПК, включая «CP/M», «MSDOS»/«PC/DOS», «MacOS» (в «классическом варианте» — вплоть до версии 9), а уже в 1990-е
— «Microsoft Windows NT» (также существующая и в серверных вариантах), «OS/2», «BeOS».
Сейчас продолжают создаваться альтернативные ОС для карманных компьютеров, мобильных
телефонов, игровых приставок и медиацентров, служебного коммуникационного оборудования.
Для альтернативных ОС характерна ориентация на одну или несколько аппаратных
архитектур, неполнота функций (специализированность). Большинство альтернативных ОС
несвободны.